630 MW鍋爐高溫過(guò)熱器結(jié)焦爆管原因分析及對(duì)策

余建飛，陳東平

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

鍋爐“四管”結(jié)焦與爆漏，是高參數(shù)機(jī)組運(yùn)行中比較普遍的問(wèn)題，嚴(yán)重影響高參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，如何減緩或防止鍋爐結(jié)焦與爆管，是生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題，很多研究者對(duì)此開(kāi)展了大量理論和實(shí)踐研究［1-15］。

某電廠2號(hào)機(jī)組于2009年投入運(yùn)行，2022年1月9日高溫過(guò)熱器發(fā)生爆漏，機(jī)組停運(yùn)后檢查發(fā)現(xiàn)高溫過(guò)熱器垂直管第87 屏第2 根上有2 個(gè)爆口，高溫過(guò)熱器水平管上部結(jié)焦嚴(yán)重，尤其是被其他過(guò)熱器管包圍的高溫過(guò)熱器管上部，結(jié)焦物厚度超過(guò)5 cm。為找到該高溫過(guò)熱器爆管和結(jié)焦的原因，本文對(duì)爆裂高溫過(guò)熱器管及其他高溫過(guò)熱器管樣進(jìn)行宏觀觀察、化學(xué)成分分析、結(jié)焦物分析、力學(xué)性能試驗(yàn)及金相檢驗(yàn)，查找高溫過(guò)熱器結(jié)焦與爆裂的原因，并提出了預(yù)防控制措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

圖1 為第87 屏第2 根管上部和下部2 個(gè)爆口的宏觀形貌，爆口開(kāi)口較小，與軸向平行，管壁無(wú)明顯減薄，破口邊緣不鋒利，爆口兩端管徑發(fā)生脹粗，外壁有結(jié)焦現(xiàn)象，內(nèi)壁有密集、較為平直、且長(zhǎng)短不一的縱向裂紋，并附著明顯的氧化皮。

圖1 過(guò)熱器爆口原狀Fig.1 Original state of high-temperature superheater tube-burst

圖2為高溫過(guò)熱器水平管外壁結(jié)焦和內(nèi)壁宏觀形貌。從圖中可以看出，高溫過(guò)熱器管道上部結(jié)焦嚴(yán)重，表面凹凸不平，寬3 cm 左右，見(jiàn)圖2（a）。去除結(jié)焦物后管外壁呈褐色，可見(jiàn)小腐蝕坑，結(jié)焦物剖面形貌如圖2（b）和圖2（c）所示，焦物顏色具有明顯的分層結(jié)構(gòu)：靠近管壁的第1層呈亮褐色，非常堅(jiān)硬致密；第2層為青褐色，相對(duì)堅(jiān)硬；第3層為土黃色，比較堅(jiān)硬；第4層為紅褐色和灰白色，疏松，取樣過(guò)程中易脫落。高溫過(guò)熱器水平管內(nèi)壁宏觀形貌，可見(jiàn)分層的氧化皮，局部有開(kāi)裂和起皮，并有脫落現(xiàn)象。

1.2 管樣化學(xué)成分分析

按照《GB/T 223 鋼鐵與合金化學(xué)分析方法》對(duì)高溫過(guò)熱器管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)該管樣母材T91 的化學(xué)成分符合ASME 的要求，可排除錯(cuò)用材料的可能性。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

按照《GB/T 4340.1-2018 金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分試驗(yàn)方法》要求，對(duì)割取的6根管樣分別進(jìn)行硬度測(cè)試。結(jié)果表明所檢取樣管硬度正常（推薦硬度為180 HB～250 HB），但爆口附近的硬度靠近標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 438-2009 火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中規(guī)定的T91管硬度下限，其他管子的硬度也有明顯下降［27］，如表2所示。

表2 硬度測(cè)量結(jié)果Table 2 Results of the tube hardness test

根據(jù)《GB/T228.1-2010 金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，割管機(jī)械性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)果顯示，所檢取樣管的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均滿足《ASME SA213-2001 鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧式體合金鋼管》對(duì)T91鋼力學(xué)性能的技術(shù)要求，但部分管子的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率接近標(biāo)準(zhǔn)下限。

表3 機(jī)械性能分析結(jié)果Table 3 Tube mechanical properties analysis

1.4 金相組織觀察

對(duì)6根高溫過(guò)熱器割管分別進(jìn)行金相分析，結(jié)果如表4和圖3，從金相分析結(jié)果可看出，高溫過(guò)熱器管均有老化現(xiàn)象，其中爆口管屬于嚴(yán)重老化；6號(hào)管、21號(hào)和98號(hào)管屬于中度老化；102號(hào)管和21號(hào)管屬于完全老化。

圖3 高溫過(guò)熱器管金相組織Fig.3 Microstructure of high-temperature superheater tube

表4 金相分析結(jié)果Table 4 Metallographic analysis results

1.5 內(nèi)壁垢量和氧化皮成分分析

經(jīng)分析，所送檢管樣中，高溫過(guò)熱器內(nèi)壁氧化皮厚度在0.22 mm～0.53 mm之間，結(jié)垢量最小值為1 793.6 g/m2，最大值為2 293.1 g/m2。經(jīng)能譜分析，氧化皮主要元素為Fe 和O，其次為Cr 元素，可見(jiàn)少量的Al、Si 和Mn 等元素。

1.6 外壁結(jié)焦物分析

圖2（c）中結(jié)焦物樣品的掃描電鏡和能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖4。表層結(jié)焦物主要形狀為球形，尺寸不均勻，大部分直徑在10 μm 以下，能譜分析結(jié)果顯示其主要元素為O、Al 和Si，次要元素為Ca 和Fe 元素，可見(jiàn)少量的C、Na、Mg、Ti 和Zn 等元素。底層結(jié)焦物非常致密，為顆粒狀，能譜分析結(jié)果顯示其主要元素為Cr、Fe 和O。從結(jié)焦物側(cè)面SEM 圖中可以看出，靠近管壁側(cè)的底層物質(zhì)孔隙非常小，且與第2 層有明顯分界線；第2 層內(nèi)部有孔隙，尺寸比第1 層大，第3 層縫隙更多更大。

圖4 結(jié)焦物的SEM圖Fig.4 SEM image of the coking material

結(jié)焦物剖面能譜線掃描結(jié)果見(jiàn)圖5，從圖5中可以看出，第1 層結(jié)焦物厚度約2 mm 左右，主要元素為O、Cr 和Fe，可見(jiàn)S 元素；第2 層，未見(jiàn)Cr 元素，Ca、Al 和Si明顯增多，F(xiàn)e 略有下降，可見(jiàn)S 和K 元素；第3 層Ca 含量顯著增加，其主要元素為O、Al、Si、Ca 和Fe，可見(jiàn)K元素；第4 層為疏松的浮灰，取樣過(guò)程中已脫落，經(jīng)化學(xué)定量分析，F(xiàn)e2O3含量為26.87%，Al2O3含量為16.82%，CaO含量為11.29%，MgO含量為2.17%，S含量為1.93%，SiO2含量為42.26%。

圖5 結(jié)焦物側(cè)面能譜分析結(jié)果Fig.5 XRD of coking

2 綜合分析

由上述理化分析結(jié)果可知，高溫過(guò)熱器管顯微組織呈現(xiàn)非常明顯的過(guò)熱特征，說(shuō)明高溫過(guò)熱器管壁溫度長(zhǎng)期超過(guò)正常工作溫度。當(dāng)運(yùn)行溫度超過(guò)T91鋼的Ac1點(diǎn)時(shí)，晶內(nèi)碳化物數(shù)量減少，在原奧氏體晶界上出現(xiàn)碳化物聚集長(zhǎng)大，馬氏體特征分散或消失，尺寸粗化，馬氏體位向明顯分散，其中嚴(yán)重老化的爆管馬氏體嚴(yán)重分散，晶界變粗，出現(xiàn)雙晶界，有鏈狀孔洞。這種組織變化會(huì)使材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著下降，同時(shí)還會(huì)使材料的脆性增加［16］。所檢的6根高溫過(guò)熱器管的力學(xué)性能盡管仍滿足要求，但均已明顯下降，部分接近標(biāo)準(zhǔn)下限，因此一旦管段局部區(qū)域應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生爆管。

文獻(xiàn)顯示，煤灰中Al2O3是增高灰熔性的最主要成分［17-20］，一般來(lái)說(shuō)Al2O3含量越高，軟化溫度越高，從結(jié)焦物第4層化學(xué)定量分析結(jié)果看，Al2O3含量不到20%，明顯偏低；當(dāng)煤灰中CaO 低于35%時(shí)，它是降低煤灰熔點(diǎn)溫度的成分之一，第2 層結(jié)焦物，以Ca、Al、Si、Fe和O為主，可見(jiàn)S元素，是因?yàn)镃aO 能與SiO2等形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，與固態(tài)CaO、硅鋁酸鹽等形式留在灰中，此外CaO與SO2在800 ℃～1 000 ℃范圍內(nèi)生產(chǎn)氣態(tài)或熔融態(tài)的硫酸鹽，當(dāng)溫度降低時(shí)凝結(jié)，粘附在受熱面和爐墻上形成初始結(jié)渣層，與文獻(xiàn)中Ca、Fe 會(huì)引起結(jié)焦和分層一致。當(dāng)外壁有結(jié)焦物形成時(shí)，隨著焦體的發(fā)展生長(zhǎng)，熱阻增大，外壁結(jié)焦物溫度逐漸升高，沉積物在不同溫度下，發(fā)生不同的物理化學(xué)反應(yīng)，形成不同的結(jié)焦物，從而使結(jié)焦物出現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)，且由于溫度過(guò)高，管壁上發(fā)生高溫腐蝕，第1層中的Cr說(shuō)明了高溫過(guò)熱器外壁發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象，第3層和第4層結(jié)焦物顏色偏紅色，表示Fe2O3含量比較高，而文獻(xiàn)顯示煤灰中含F(xiàn)e2O3越高，灰熔點(diǎn)就越低，結(jié)焦傾向嚴(yán)重。

高溫過(guò)熱器內(nèi)壁氧化皮中的Cr 元素說(shuō)明內(nèi)壁也有腐蝕發(fā)生，且最大厚度已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)氧化皮厚度超過(guò)0.5 mm時(shí)，應(yīng)對(duì)管子狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估［20］。當(dāng)氧化皮超過(guò)一定厚度，管道溫度變化頻繁且幅度較大時(shí)，由于氧化皮的膨脹系數(shù)與金屬不一樣，機(jī)組啟停及負(fù)荷變化時(shí)會(huì)引起氧化皮破裂并從金屬表面剝落，一部分會(huì)帶出過(guò)熱器，一部分會(huì)在彎頭處積累，降低熱交換效率［15］，從而引起管壁超溫，加速內(nèi)壁氧化皮生成、外壁高溫腐蝕和結(jié)焦，使金屬傳熱性更差，加速外壁高溫腐蝕和內(nèi)壁氧化皮的生成，同時(shí)腐蝕會(huì)使管壁減薄，影響材料性能，從而進(jìn)入惡性循環(huán)中。

經(jīng)調(diào)查，由于2021年8月電煤價(jià)格暴漲，運(yùn)行成本壓力大，為降低燃料成本，電廠不得不摻燒價(jià)格低的煤種，但時(shí)間緊促，盡管對(duì)摻燒煤種進(jìn)行了分析，但對(duì)煤摻燒比例的研究與分析不夠透徹。

3 結(jié)語(yǔ)

1）鍋爐高溫過(guò)熱器T91 管發(fā)生爆管的主要原因是管壁溫度過(guò)熱，使得材料顯微組織老化，力學(xué)性能下降，外壁結(jié)焦和內(nèi)壁氧化皮會(huì)加劇管壁超溫。需加強(qiáng)燃燒監(jiān)督，嚴(yán)密監(jiān)視爐膛出口煙溫、高溫受熱面管壁溫度和排煙溫度，并根據(jù)煙氣溫度對(duì)燃燒進(jìn)行調(diào)整。

2）掌握燃料特性，煤種問(wèn)題是產(chǎn)生結(jié)焦的主要問(wèn)題之一，不同的煤種有不同的特性，摻燒前應(yīng)進(jìn)行獲取煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)，如煤成分和灰熔點(diǎn)等，加強(qiáng)入爐煤品質(zhì)監(jiān)督管理，結(jié)合爐膛設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、爐內(nèi)空氣動(dòng)力常和燃燒器結(jié)構(gòu)布置，摸索出合適的不同煤種的摻配比例，使其最終配出的煤在性能指標(biāo)上達(dá)到或接近鍋爐的設(shè)計(jì)煤種要求，避免局部過(guò)熱、熱偏差超標(biāo)、高溫腐蝕、再次結(jié)焦和爆管等現(xiàn)象的發(fā)生。

3）對(duì)外壁結(jié)焦物進(jìn)行深度清理，消除爆管隱患。調(diào)整高溫過(guò)熱器底部區(qū)域吹灰器推進(jìn)長(zhǎng)度，防止高溫過(guò)熱器區(qū)域產(chǎn)生吹灰死區(qū)。加強(qiáng)水汽品質(zhì)監(jiān)督，避免內(nèi)壁氧化皮生成。

4）日常運(yùn)行中勤檢查，尤其是煤種變化后，應(yīng)加強(qiáng)檢查頻率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)焦，及時(shí)打焦，避免表面高溫腐蝕或形成堅(jiān)硬的結(jié)焦物。如果不及時(shí)清理，會(huì)產(chǎn)生惡性連鎖循環(huán)，結(jié)焦會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生多次爆管。

5）建議停爐期間檢查該管子爐內(nèi)段，尤其是下彎頭處是否存在堵塞，并割管檢查。

6）根據(jù)本次高溫過(guò)熱器爆管和結(jié)焦原因，制定相關(guān)應(yīng)對(duì)措施，給國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組防止結(jié)焦爆管、安全運(yùn)行具有一定的借鑒意義。